高頻開關(guān)變換器中EMI產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制方法

1 前言

開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，廣泛用于通信、自動(dòng)控制、家用電器、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備中。但是，其缺點(diǎn)是開關(guān)電源在高頻條件下工作，產(chǎn)生非常強(qiáng)的電磁干擾（Electromagnetic Interference,EMI），經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染周圍電磁環(huán)境，對(duì)電子設(shè)備造成影響。本文從開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)、器件進(jìn)行分析，探討了電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制方法。

2 開關(guān)電源電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的機(jī)理

開關(guān)電源的電磁干擾，按耦合途徑來(lái)分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。按噪聲干擾源可分為兩大類：一類是外部噪聲，例如通過(guò)電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的共模和差模干擾、外部電磁輻射對(duì)開關(guān)電源控制電路的干擾等；另一類是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁干擾，如開關(guān)管、整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。其中外部噪聲產(chǎn)生的影響可以通過(guò)電源濾波器進(jìn)行衰減，本文不做討論，僅討論開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁噪聲。
常規(guī)交流輸入的開關(guān)電源主要結(jié)構(gòu)可以分為四大部分，其框圖如圖1所示。

其中輸入與整流濾波部分、高頻逆變部分、輸出整流與濾波部分是產(chǎn)生電磁干擾的主要來(lái)源。以下將通過(guò)對(duì)各部分電壓、電流波形的分析，闡明電磁噪聲產(chǎn)生的原因。

2．1 工頻整流器引起的電磁噪聲

一般開關(guān)電源為容式濾波，在輸入與整流濾波部分電磁噪聲主要是由整流過(guò)程中造成的電流尖峰、電壓波動(dòng)所引起的。正弦波電源經(jīng)過(guò)電源濾波器進(jìn)行差模、共模信號(hào)衰減后，由整流橋整流、電解電容濾波，得到的電壓作為高頻逆變部分的輸入電壓。由于濾波電容的存在，使整流器不象純整流那樣一組開通半個(gè)周期，而是只在正弦電壓高于電容電壓時(shí)才導(dǎo)通，造成電流波形非常陡峭，同時(shí)電壓波形變得平緩。電流、電壓的波形如圖2所示。

根據(jù)Fourier級(jí)數(shù)，圖中的電流、電壓波形可分解為直流分量和一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦交流分量之和。通過(guò)電磁場(chǎng)理論以及試驗(yàn)結(jié)果表明，諧波（特別是高次諧波）會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通過(guò)開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾，在空間產(chǎn)生電場(chǎng)、磁場(chǎng)向外輻射產(chǎn)生的干擾稱之為輻射干擾。

2．2 變壓器與開關(guān)管引起的電磁噪聲

逆變部分是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓的調(diào)整，主要有開關(guān)管和高頻變壓器組成。電磁噪聲主要是由于變壓器的漏感、分布電容以及開關(guān)管的開通、關(guān)斷造成。開關(guān)電源中的高頻變壓器用作隔離和變壓，變壓器在理論分析時(shí)，通常認(rèn)為是理想變壓器，但是在實(shí)際應(yīng)用中變壓器存在漏感，而且在高頻的情況下，還要考慮變壓器層間的分布電容。高頻變壓器的等效電路模型如圖3所示。

從圖中可以看到變壓器層間的分布電容使開關(guān)電源中的高頻噪聲很容易在初次級(jí)之間傳遞。而且如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式通過(guò)變壓器的寄生電容傳到交流電源中。

開關(guān)電源的體積、重量減小的根本原因是使功率半導(dǎo)體器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，但導(dǎo)致的結(jié)果是產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的電磁干擾。其原因是在工作過(guò)程中產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt，以及變壓器漏感，電路寄生電感與開關(guān)管寄生電容之間的高頻震蕩。開關(guān)電源中的電壓波形大多為接近矩形的周期波，比如開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源電壓波形等。頻率高，一般在kHz以上，上升、下降時(shí)間短，dv/dt大，而且通過(guò)傅里葉展開以后，包含的諧波頻率非常高，很容易污染周圍的電磁環(huán)境。

開關(guān)管（比如MOSFET ）在開通關(guān)斷時(shí)，也會(huì)造成很強(qiáng)的電磁干擾。由于變壓器初級(jí)線圈漏感，電路寄生電感的存在，致使一部分能量沒有從一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)，漏感中儲(chǔ)存能量，關(guān)斷瞬間電流發(fā)生突變，di/dt非常高，產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。由電磁場(chǎng)理論可知：E=-Ldi/dt。